基于ESP8266與OneNet的電子工藝實習套件的設計

馮 偉, 肖永松, 王 琳, 彭 力

(江南大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院， 江蘇 無錫 214122)

0 引 言

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、實踐能力和具有工程素養(yǎng)的復合型人才，對于提高國家的科技競爭力和制造業(yè)的水平，以及學生的就業(yè)和入職工作的適應能力，都具有重要的意義[1]。電子工藝實習作為學生接觸電子電路及培養(yǎng)創(chuàng)新思維的啟蒙課程，在提升學生工程實踐能力、培養(yǎng)良好的科學素質和創(chuàng)新意識方面所起的作用不容忽視[2]。

傳統(tǒng)電子工藝實習課程注重對單純的電子套件進行焊接，這類套件可以使學生認識電子元器件、鍛煉學生的焊接能力，但也具有不可忽視的缺點：只側重鍛煉學生的焊接能力，不具備編程功能、無法擴展，課程結束后無法繼續(xù)使用，不具備創(chuàng)新價值[3-5]；開設這門課程的學生處于低年級，很多專業(yè)課程還沒有開設，學生被動接受知識，沒有自主性，不利于培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

針對上述缺點，有些高校也在對電子工藝實習套件進行探索和改革，最常見的就是基于89C51單片機的電子工藝實習套件。這類套件已經(jīng)具有了簡單的編程能力和擴展性，但89C51本身性能有限、不具備聯(lián)網(wǎng)功能，限制了套件的擴展性；編程語言限定C語言，專業(yè)性和年級性限制了套件的推廣。為了滿足培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新意識的要求，設計了一種電子工藝實習套件，它的硬件基于ESP8266，軟件基于Arduino，它還具有WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，云平臺則基于中移物聯(lián)網(wǎng)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)公共平臺[6-8]。

1 系統(tǒng)整體設計

電子工藝實習套件整體系統(tǒng)如圖1所示，分為硬件、云平臺、客戶端。

圖1 系統(tǒng)框圖

硬件采用電子積木的連接方式，分為核心底板、傳感器、交互、控制和創(chuàng)意等擴展板。核心底板的處理器模塊為基于ESP8266的可編程WiFi模塊，具有可編程能力和WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，有很好的擴展性。傳感器擴展板可焊接常用的傳感器。交互擴展板集成了4位1體共陰極數(shù)碼管和4個獨立按鍵，可以實現(xiàn)簡單的人機交互?？刂茢U展板集成了繼電器控制電路，可通過云平臺實現(xiàn)簡單的遠程控制。創(chuàng)意擴展板為具有與核心底板接口的標準2.54 mm孔距的空白通用板，學生可以根據(jù)自己的思路自主發(fā)揮創(chuàng)意。核心底板和傳感器、交互、控制、創(chuàng)意等擴展板之間采用2排8腳的長腳排母連接，可以實現(xiàn)上下層疊的電子積木式連接，學生也可以自主設計擴展PCB，并不局限于現(xiàn)有的板卡和連接方式。各板上體積較小的貼片器件預先使用貼片機焊接，較大的貼片器件和插接件留空不焊接，留作上課時給學生焊接，以鍛煉學生的焊接能力。

云平臺采用中開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺OneNET?？蛻舳藙t分為Web和APP，通過瀏覽器、手機可以查看硬件上傳到云平臺的數(shù)據(jù)，也可以控制硬件。

課程內容設置方面保留了電子元器件的識別、測量儀器的使用、電路繪制軟件的使用等傳統(tǒng)電子工藝實習課程的內容，動手實踐部分則圍繞此套件展開，除了焊接之外，基于現(xiàn)成的傳感器、交互和控制等擴展版采用固定題目的項目式教學，課程考核則基于創(chuàng)意擴展板或學生自主設計的擴展板進行創(chuàng)新設計。

2 核心底板的設計

核心底板集成了ESP8266 12N最小系統(tǒng)模塊與程序燒寫、通信模塊。ESP8266 12N模塊的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 核心底板最小系統(tǒng)

ESP8266 12N繼承了ESP8266EX芯片，具有完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡功能，具有GPIO、UART、ADC、SPI、IIC等完整外設，還集成了天線開關、射頻、功放、低噪放大器、濾波器及電源管理模塊，使用時僅需要少量的外部器件即可，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應用[9-10]。ESP8266EX芯片可以運行Lua、Arduino、MicroPython等語言，開發(fā)方便，無需專用仿真器，通過芯片的UART即可下載程序。UART通信及程序燒寫電路如圖3所示。

圖3中P1為Micro USB接口，可以作為核心底板的供電、UART通信、程序燒寫接口。ME6211為低壓差LDO芯片，提供ESP8266需要的3.3V直流電源，因為是低壓差芯片，故核心底板也支持鋰電池供電。CH340C芯片為一款USB轉串口芯片，用于UART通信和燒寫程序，它片內集成了晶振，可有效減小電路板面積。Q1、Q2為2個NPN三極管，它們與CH340C可以實現(xiàn)代碼的一鍵下載，即無需硬件做任何操作，只需要燒寫軟件點擊一次下載就可以完成ESP8266的復位及代碼燒寫。

核心底板通過2組8腳的2.54 mm長腳排母將D0-D8、電源、UART的端口引出與其它擴展板通信。

3 傳感器擴展板的設計

傳感器擴展板預設了幾個比較常用的傳感器，用于課程進行過程中實施項目化教學?？紤]到電子工藝實習課程的特點，器件特意選用了插接件的封裝方式，便于學生動手焊接，以鍛煉實際動手能力。傳感器擴展板的電路如圖4所示。

圖3 UART通信、程序燒寫電路

圖4 傳感器擴展板電路

P4接口為DHT11溫濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器的一體化接口，這兩種傳感器都是單總線協(xié)議的傳感器，故將它們設計于一個接口之上，根據(jù)課程實施需要選擇即可。P5為IIC接口的高精度溫濕度傳感器SHT20。R15為3950型號的NTC熱敏電阻，通過A/DC獲取分壓值即可換算得到溫度值。上述傳感器的選擇盡量考慮了焊接的可實施性及外設接口的多樣化，可通過項目化教學鍛煉學生的動手能力、編程能力，開拓學生視野[11]。

4 控制擴展板的設計

控制擴展板主要是繼電器控制電路，可以實現(xiàn)簡單的遠程控制，以滿足教學及學生創(chuàng)意需要。電路圖如圖5所示，Q1為三極管，用于增強I/O口的驅動能力，二極管D1做續(xù)流二極管，用于保護繼電器。

圖5 控制擴展板電路

5 交互擴展板的設計

交互擴展板集成了4位1體共陰極數(shù)碼管及4個按鍵，可以實現(xiàn)簡單的人機交互。電路圖如圖6所示。

圖6 交互擴展板電路

U4為IIC接口的鍵盤數(shù)碼管驅動芯片TM1650，它最多可以驅動4位8段數(shù)碼管及28個按鍵。TM1650與核心底板間的通信只占用2個I/O口，封裝為SOP16小體積封裝，具有良好的擴展性。

6 軟件設計

套件有2部分涉及軟件設計：硬件、云平臺。

硬件部分為核心底板需要編程來實現(xiàn)功能。核心底板的ESP8266 12N模塊支持Lua、Arduino、MicroPython語言，考慮到電子工藝實習課程的對象為低年級本科生，故采用了相對簡單的Arduino語言。套件的開發(fā)環(huán)境為Arduino 1.8.0版本，從Arduino官方網(wǎng)站下載安裝并安裝Java插件即可使用，外設函數(shù)可以直接使用Arduino庫，可以迅速掌握編程方法。硬件與云平臺的通信采用http協(xié)議，代碼中上傳傳感器值的代碼需要發(fā)送以下字符串：

POST /devices/4656380/datapoints?type=3 HTTP/1.1

Host: 183.230.40.33:80

api-key: JM1EG2H05b4tfmrnZq8mlty5jdM=

Cache-Control: no-cache

{

"tempvalue" : "24",

"humvalue" : "45"}

}

字符串符合http協(xié)議POST請求方法的協(xié)議規(guī)范，其中第1行的“devices”“datapoints”為OneNET平臺要求的協(xié)議內容，分別代表類型為設備、數(shù)據(jù)內容為JSON格式?！?656380”為在OneNET平臺添加設備時分配的設備ID。第2行“Host”為OneNET平臺的服務器IP地址和端口號。第3行“api-key”為OneNET平臺分配的用戶密鑰，每個用戶的api-key都是唯一的。第6、7行的“tempvalue”“humvalue”為用戶添加傳感器時設置的傳感器名稱，也稱為數(shù)據(jù)流，“24”“45”為傳感器采集的值。

云平臺使用開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺OneNET，它支持多種網(wǎng)絡協(xié)議，能夠輕松的實現(xiàn)設備接入、設備管理。OneNET的Web界面編程采用控件拖拽式編程，耗費極短的時間即可實現(xiàn)比較理想的效果；APP直接下載登錄即可在移動設備端界面查看、管理接入的設備[12-13]。設計界面時只要將選用的控件與需要顯示的數(shù)據(jù)流綁定即可，Web界面示例如圖7所示。

圖7 云平臺Web界面

7 結 語

基于ESP8266與OneNET的電子工藝實習套件解決了傳統(tǒng)電子工藝實習套件注重焊接而忽視創(chuàng)意的問題。它采用電子積木的連接方式，各板之間任意搭配疊加，具有較強的擴展性、創(chuàng)意性；它采用項目化課程設置，增加了編程內容，可以培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力，增強對專業(yè)的興趣[14]；它還具有WiFi聯(lián)網(wǎng)功能，并接入了物聯(lián)網(wǎng)云平臺，使套件具有了智能化潛力，增強了創(chuàng)意性。

基于ESP8266與OneNET的電子工藝實習套件成本低廉，擴展性、創(chuàng)意性強，可適用于高校電子工藝實習課程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽、創(chuàng)客教育，甚至在中小學STEAM教育中也具有推廣價值[15]。